JP2004072548A

JP2004072548A - 高周波増幅器

Info

Publication number: JP2004072548A
Application number: JP2002230754A
Authority: JP
Inventors: Daizo Yamawaki; 山脇　大造; Tomonori Tagami; 田上　知紀; Atsushi Isobe; 礒部　敦
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】移動体通信用端末に用いられ複数の周波数帯あるいは複数の通信システムで用いることのできる高周波増幅器の小型化・低損失化を実現する。
【解決手段】本発明では上記課題を解決するため、電力増幅器１００−３の出力に第１の整合回路１０１−３を接続し、第１の整合回路出力にスイッチ２００−１を接続する。該スイッチ出力に各周波数帯、もしくは、各通信システムに対応した複数の整合回路１０１−４、１０１−５を接続することで、電力増幅器１つで複数の周波数帯もしくは通信システムに対応可能で小型化が実現することを特徴とするものである。また、第１の整合回路出力インピーダンスを最適値に設計することで、低損失化を実現することを特徴とするものである。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信用端末に用いられる高周波増幅器に関し、特に複数の周波数帯あるいは複数の通信システムで用いられる高周波増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、移動体通信の分野ではさまざまな通信システムが並存する状況となってきている。それに伴ない、移動体端末も複数の周波数帯（マルチバンド）や複数の通信システム（マルチモード）に対応する必要がでてきた。例えば、欧州では、９００ＭＨｚ帯のＧＳＭ９００（Ｇｌｏｂａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　９００）（以下、ＧＳＭと記す）、１．８ＧＨｚ帯のＤＣＳ１８００（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｅｌｌｕｌａｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　１８００）（以下、ＤＣＳと記す）、１．９ＧＨｚ帯のＰＣＳ１９００（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　１９００）（以下、ＰＣＳと記す）のトリプルバンド対応の端末が主流であり、今後、さらに２ＧＨｚ帯のＷ−ＣＤＭＡ（Ｗｉｄｅ−ｂａｎｄ　Ｃｏｄｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ）にも対応したデュアルモード端末が主流になっていくと考えられている。また、近年、カバーエリアは狭いものの高速データ通信が可能な無線ＬＡＮが急速に普及してきており、音声通信については携帯電話で、データ通信については無線ＬＡＮで、という使い方が可能な携帯電話／無線ＬＡＮデュアルモード端末も普及していくと考えられている。
【０００３】
このような複数の周波数帯あるいは複数の通信システムで用いられる移動体端末で使用される、送信用高周波増幅器の従来の構成は、例えば、Ｋ．　Ｙａｍａｍｏｔｏら，”Ａ　３．２−Ｖ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｓｉｎｇｌｅ−Ｃｈｉｐ　ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ　ＨＢＴ　ＭＭＩＣ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｆｏｒＧＳＭ９００／１８００　Ｄｕａｌ−Ｂａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，　ＩＥＥＥ　ＭＴＴ−Ｓ　Ｄｉｇｅｓｔ，　ｐ．　１３９７，　１９９９に開示されている。
図６に同論文の代表図を簡略化した図を示す。本高周波増幅器は、ＧＳＭとＤＣＳに対応したデュアルバンド増幅器である。１００は電力増幅器であり、１０１は整合回路である。１００−１，１０１−１はその特性がＧＳＭに対応した回路であり、１００−２，１０１−２はＤＣＳに対応した回路である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来例においては、各周波数帯域に対してそれぞれ回路を用意していた。そのため、面積が大きくなるという問題があった。特に、従来例の方式をマルチバンド、マルチモード増幅器に適用した場合に、面積増大の問題点が顕著になる。
【０００５】
本発明の目的は、上記問題を解決し、移動体通信用端末に用いられ複数の周波数帯あるいは複数の通信システムで用いることのできる小型な高周波増幅器を提供することにある。また、小型化を実現するとともに、低損失化も併せて実現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の高周波増幅器は、信号を増幅して出力する増幅器と、該増幅器の出力に接続された第１の整合回路と、第１の整合回路の出力に接続されたスイッチと、複数の整合回路とから構成され、
該スイッチのオン・オフ動作により第１の整合回路の出力信号が該複数の整合回路のいずれか１つに入力されるように構成される。
【０００７】
また、本発明の高周波増幅器は、信号を増幅して出力する増幅器と、該増幅器の出力に接続された第１の整合回路と、第１の整合回路の出力に並列に接続された複数の整合回路とから構成され、
該高周波増幅器の動作周波数帯、または、動作通信システムに応じて、第１の整合回路の出力信号は該複数の整合回路のうちいずれか１つの整合回路に入力され、該１つの整合回路以外の整合回路の入力において、該出力信号は反射され、ほとんど入力されないよう構成される。
【０００８】
また、上記本発明の高周波増幅器において、第１の整合回路の出力インピーダンスは５０Ｗより大きく２００Ｗ以下になるように設計される。また、さらに損失を抑えるためには、１００Ｗ〜２００Ｗの値を持つように設計される。
【０００９】
具体的には、該スイッチは、ＰＩＮダイオード、または、ＦＥＴスイッチ、または、機械的スイッチから構成される。
【００１０】
さらに、該増幅器は、動作周波数帯、または、通信システムに応じてその特性が最適になるように制御されることも可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１を用いて、本発明によるＧＳＭ，ＤＣＳ対応高周波増幅器の第１の実施例を説明する。
【００１２】
該高周波増幅器は、電力増幅器１００−３、整合回路１０１、スイッチ２００−１、セレクタ２０１−１、アンテナ２０３−１とから構成される。
【００１３】
スイッチ２００−１は、１入力２出力のＳＰＤＴ（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｐｏｌｅ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｔｈｒｏｗ）スイッチであり、ＰＩＮダイオード、ＦＥＴ、または、マイクロメカニカルスイッチにより構成される。ここでマイクロメカニカルスイッチとは、半導体集積回路を作成するのと同様の手段、−すなわち、基板全面に対する絶縁膜、導電性膜の堆積とそれに対するホトリソグラフィー並びに化学的／物理的エッチングを用いた加工を繰り返すといった手段−によって作成される機械的スイッチである。その寸法は作成基板の面内方向に数マイクロメートル〜数百マイクロメートル、基板に垂直方向に１マイクロメートル以下〜数十マイクロメートルである。また、その駆動方法は、静電駆動、電磁駆動、ピエゾ素子による圧電駆動、または発熱体と熱膨張率の異なる複数の材料を張り合わせたバイメタルからなる駆動等を用いることによって行うことができる。このように、マイクロメカニカルスイッチは一般のリレーもしくは機械的スイッチとはその作成方法、寸法、駆動に必要なエネルギー等が異なる。セレクタ２０１−１は、アンテナ２０３−１と整合回路１０１−４，５、及び、受信回路との間に接続され、アンテナからの受信信号を受信回路のみに導き、動作周波数帯に応じて該受信信号を２０２−１、または、２０２−２に出力する。また、整合回路１０１−４，５からの送信信号をアンテナ２０３−１にのみ導く。また、セレクタ２０１−１には、前記、信号経路のセレクト機能とともに、不要信号を除去するためのフィルタリング機能が追加されることもある。整合回路１０１−３，４によって、ＧＳＭ周波数帯において、電力増幅器１００−３出力とセレクタ２０１−１入力との整合がとられ、ＤＣＳ周波数帯においては、整合回路１０１−３，５によって整合がとられる。アンテナ２０３−１は、ＧＳＭ，ＤＣＳのデュアルバンドに対応したアンテナである。
【００１４】
次に図１のＧＳＭ，ＤＣＳ対応デュアルバンド高周波増幅器の動作について、より詳細に説明する。
【００１５】
該高周波増幅器の動作している通信システムがＧＳＭの場合、送信時には、電力増幅器１００−３にはＧＳＭ周波数帯の信号が入力され、電力増幅器１００−３にて所望の利得が与えられる。スイッチ２００−１は、整合回路１０１−３出力信号が整合回路１０１−４の入力に導かれるように接続される。したがって、電力増幅器１００−３の出力信号は、整合回路１０１−３，４を通って、セレクタ２０１−１に入力される。セレクタ２０１−１に入力された信号は、アンテナ２０３−１に導かれ、アンテナ２０３−１から送信信号として送出される。受信時には、アンテナ２０３−１で受信した受信信号はセレクタ２０１−１によって信号線２０２−１に導かれ、受信回路へと入力される。該高周波増幅器の動作している通信システムがＤＣＳの場合、送信時にはスイッチ２００−１は、整合回路１０１−３出力信号が整合回路１０１−５の入力に導かれるように接続される。他の動作は、上記ＧＳＭ送信時と同様である。また、ＤＣＳ受信時についても、ＧＳＭ受信時の動作と同様で、信号線２０２−２から受信回路に受信信号が送出される。
【００１６】
図１を用いて整合回路１０１−３，４，５の設計手法について説明する。
【００１７】
図２は整合回路の例を示す回路図である。
【００１８】
まず、最適な整合回路１０１−３出力インピーダンスを求めるために、以下に示す理想的な条件を考える。電力増幅器１００−３の出力インピーダンスをＲｏ、整合回路１０１−３の出力インピーダンスをＲａとし、電力増幅器１００−３と整合回路１０１−３、整合回路１０１−３と整合回路１０１−４，５、整合回路１０１−４，５とセレクタ２０１−１はそれぞれ整合がとれているとする。整合回路１０１−３は図２で示す回路構成とし、その中でｒは整合回路１０１−３の非理想成分を表すための抵抗成分で、Ｂｐ，ｒによるＱ値は、Ｑ＝Ｂｐ／ｒで表される。また、スイッチ２００−１は容量性スイッチで、そのインピーダンスはｊＢｍとする。この時、整合回路１０１−３とスイッチ２００−１によるトータルの損失の真値は近似的に数式１で表すことができる。なお、整合回路１０１−３、スイッチ２００−１以外の特性は理想的とした。
【００１９】
【数１】

図３は、数式１を用い、Ｒａを変数として損失を図示したものである。ただし、Ｒｏ＝３［Ｗ］、Ｑ＝８０、スイッチ２００−１の容量値＝５［ｐＦ］、周波数＝１［ＧＨｚ］用いた。図３から分かるように、損失を最小にする最適なＲａが存在し、その値は一般的に用いられている５０［ｏｈｍ］よりも大きな値となることが分かる。
【００２０】
上記知見を基に、ＧＳＭ／ＤＣＳデュアルバンド対応高周波増幅器における、整合回路１０１−３，４，５の実際的な設計方法を、以下に２通り示す。
（１）　ＧＳＭ周波数帯、ＤＣＳ周波数帯のいずれにおいてもＲａが同一のインピーダンスになるように、整合回路１０１−３，４，５を設計する。Ｒａの値は損失を最小にする値、もしくは、その近傍の値とする。
（２）　ＧＳＭ周波数帯においてはＲａの値がＲａ１に、ＤＣＳ周波数帯においてはＲａの値がＲａ２になるように整合回路１０１−３，４，５を設計する。Ｒａ１，Ｒａ２はそれぞれ異なる値であり、上記損失を最小にする値、もしくは、その近傍の値とする。
上記のいずれを採用するかは、整合回路の実現容易性、実装面積等から決定される。
【００２１】
図４を用いて、本発明によるＧＳＭ、ＤＣＳ、無線ＬＡＮ（８０２．１１ｂ）に対応した高周波増幅器の第２の実施例を説明する。該高周波増幅器は、図１の第１の実施例に、整合回路１０１−６を追加し、１入力２出力のスイッチ２００−１を１入力３出力のスイッチ２００−２に置き換え、また、ＧＳＭ，ＤＣＳ対応のセレクタ２０１−１及びアンテナ２０３−１をそれぞれＧＳＭ，ＤＣＳ，８０２．１１ｂ対応のセレクタ２０１−２及びアンテナ２０３−２に置き換えたことを特徴とする高周波増幅器である。その動作は、実施例１の動作と同様である。また、整合回路１０１−３，４，５，６の実際的な設計手法を以下に２通り示す。
（１）　周波数帯のいずれにおいてもＲａが同一のインピーダンスになるように、整合回路１０１−３，４，５，６を設計する。Ｒａの値は損失を最小にする値、もしくは、その近傍の値とする。
（２）　ＧＳＭ周波数帯においてはＲａの値がＲａ１に、ＤＣＳ周波数帯においてはＲａの値がＲａ２に、８０２．１１ｂ周波数帯においてはＲａの値がＲａ３になるように整合回路１０１−３，４，５，６を設計する。Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒａ３の内、少なくとも２つはそれぞれ異なる値であり、上記損失を最小にする値、もしくは、その近傍の値とする。
上記のいずれを採用するかは、整合回路の実現容易性、実装面積等から決定される。
【００２２】
図５を用いて、本発明によるＧＳＭ、ＤＣＳに対応した高周波増幅器の第３の実施例を説明する。該高周波増幅器は、図１の第１の実施例において、スイッチ２００−１を削除したことを特徴とする高周波増幅器である。整合回路１０１−３，４，５の設計方法は前記の実施例１と同じであるが、さらに、以下の項目についても実現できるよう設計される。
（１）　ＧＳＭ動作時、整合回路１０１−５の入力インピーダンスはＧＳＭ周波数帯において反射、すなわち、０［Ｗ］、もしくは、∞［Ｗ］、もしくはそれらの近傍値、となる。
（２）　ＤＣＳ動作時、整合回路１０１−４の入力インピーダンスはＤＣＳ周波数帯において反射、すなわち、０［Ｗ］、もしくは、∞［Ｗ］、もしくはそれらの近傍値、となる。
上記設計により、整合回路１０１−３から出力されたＧＳＭ周波数帯の出力信号は整合回路１０１−４にのみ入力され、ＤＣＳ周波数帯の出力信号は整合回路１０１−５にのみ入力されることになる。このような機能を実現する整合回路１０１−４，５、セレクタ２０１−２の例として、例えば、特開平１１−１５４８０４にその詳細が開示されている。
【００２３】
以上、本実施例の発明によれば、複数の周波数帯あるいは複数の通信システムで用いることのできる高周波増幅器において、電力増幅器を１つにできることから小型化を実現できる。また、上記整合回路の設計手法により、整合回路やスイッチによる損失を低減することができる。
【００２４】
なお、上記実施例において、電力増幅器１００−３の特性を、通信システムや送信信号強度等に応じて制御し、特性を最適化することも可能である。また、上記実施例では、主にＧＳＭ，ＤＣＳ，８０２．１１ｂに対応した高周波増幅器について示したが、他の通信システム、例えば、Ｗ−ＣＤＭＡや無線ＬＡＮ（８０２．１１ａ）等の組み合わせについても同様な手法で拡張することによって実現可能であることは言うまでもない。
【００２５】
また、以上の説明では主として移動体通信用端末に用いられる高周波電力増幅器に適用した場合について説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、電力増幅器の前段のドライバアンプなど、高周波増幅器全般に適応することができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の高周波増幅器によれば、移動体通信用端末に用いられ複数の周波数帯あるいは複数の通信システムで用いることのできる高周波増幅器を小型化・低損失化することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】高周波増幅器の第１の実施例を示すブロック図である。
【図２】整合回路の例を示す回路図である。
【図３】Ｒａに対する損失の変化を示すグラフ図である。
【図４】高周波増幅器の第２の実施例を示すブロック図である。
【図５】高周波増幅器の第３の実施例を示すブロック図である。
【図６】従来例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１００　電力増幅器
１０１　整合回路
２００　スイッチ
２０１　セレクタ
２０３　アンテナ。

Claims

信号を増幅して出力する増幅器と、該増幅器の出力に接続された第１の整合回路と、第１の整合回路の出力に接続されたスイッチと、複数の整合回路とを具備して成り、
該スイッチのオン・オフ動作により第１の整合回路の出力信号が該複数の整合回路のいずれか１つに入力されることを特徴とする高周波増幅器。
請求項１記載の高周波増幅器であって、
第１の整合回路の出力インピーダンスは５０Ｗより大きく２００Ｗ以下であることを特徴とする高周波増幅器。
信号を増幅して出力する増幅器と、該増幅器の出力に接続された第１の整合回路と、第１の整合回路の出力に並列に接続された複数の整合回路とを具備する高周波増幅器であって、
該高周波増幅器の動作周波数帯、または、動作通信システムに応じて、第１の整合回路の出力信号は該複数の整合回路のうちいずれか１つの整合回路に入力され、該１つの整合回路以外の整合回路の入力において、該出力信号は反射され、ほとんど入力されないことを特徴とする高周波増幅器。
請求項３記載の高周波増幅器であって、
第１の整合回路の出力インピーダンスは５０Ｗより大きく２００Ｗ以下であることを特徴とする高周波増幅器。
請求項１〜４のいずれかに記載の高周波増幅器であって、
該スイッチは機械的スイッチであることを特徴とする高周波増幅器。
請求項１〜５のいずれかに記載の高周波増幅器であって、
該増幅器は、動作周波数帯、または、通信システムに応じてその特性が変わるよう制御されることを特徴とする高周波増幅器。